反倾板裂岩体边坡振动物理模拟试验研究

刘云鹏 黄润秋 邓 辉

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都610059)

20世纪60年代谷德振、孙玉科教授提出了“岩体结构”概念,提供了将复杂的岩体抽象为科学的结构类型的分类依据[1]。谷德振教授在1977年提出破碎带应作为一种岩体结构单元 ,已将“板”作为一种薄层状结构从一般的层状结构中独立出来[2]。孙广忠等在1984年第二届全国工程地质大会上正式提出了“板裂”结构的新概念,之后又提出了“板裂岩体力学模型”[3,4]。“裂”是板裂结构的主要特征,除了它被节理、劈理等构造切划成板块外,各板层间的联系也是松懈的。孙广忠、倪国荣等认为它和层状结构之间最大区别是“板裂”结构层间错动特别显著[4,5]。

反倾板裂岩体边坡的稳定性问题是水利水电、交通建设和矿山治理等工程建设中经常遇到的一个问题。特别是在受到动力扰动(地震、爆破以及机械振动)时,其稳定性更容易被破坏。边坡一旦失稳,将会造成生命和财产的损失。因此,对反倾板裂岩体边坡的稳定性研究就成为一项十分重要的工作。就目前的研究现状来看,国内外对板裂(层状)岩体边坡的稳定性研究主要局限于理论分析和数值模拟方法,而且对其受力分析也仅限于静力分析[6-15]。物理模拟研究方法的优点在于能够直接观测和记录研究对象的变形、破坏演变过程,但目前应用物理模拟研究方法对边坡进行动力的研究还不多[16-18]。

沙窝子高边坡位于国道317(213)都江堰至汶川公路桩号K74+775～K75+740处公路内侧。路线位于岷江主流河流凹岸坡脚,内侧地形为一高陡边坡,地形陡峭,上缓下陡,最大坡高大于250 m。边坡走向N60°～70°E,倾向 SE,70 m以下坡度约 60°～80°,70～170 m 段坡度约50°～60°,170 m 以上坡度约70°～80°。高边坡处出露地层主要为第四系全新统崩、坡积层(Qcol+dl4 )的碎石土,碎石成分以灰岩、大理岩为主,褐灰色,块径多为2～10 cm,充填粉土及岩屑,干燥,结构较为松散,有架空现象,推测厚度小于25 m,分布于坡体表部。基岩为泥盆系月里寨群上段(Dyl2)灰岩、大理岩、千枚岩等,含滑石矿,中厚-碎裂状,单斜地层,岩层产状325°∠40°,倾向坡内,板裂结构特征明显。受茂汶断裂影响岩体裂隙发育,完整性差,根据钻孔及地表地质测绘表明强风化带厚度5～15 m。

2008年5月12日发生的汶川大地震期间,该处边坡发生了局部垮塌,所幸并未对高速公路造成重大影响。在这样的一个基础上,为了研究地震对该边坡的影响,本文采用相似材料,按照1∶500的相似比例对该处边坡进行了物理模拟重构,通过振动台试验,从动力方面对反倾板裂岩体边坡的稳定性进行定性研究,分析反倾板裂岩体边坡的变形及破坏机制。

1 模型的设计与制作

1.1 相似条件、原则和模拟范围

1.1.1 地质力学模型试验应满足的相似关系

a.应力相似比尺Cσ、容重相似比尺Cγ和几何相似比尺CL之间的相似关系

b.位移相似比尺Cδ、几何相似比尺CL和应变相似比尺Cε之间的相似关系

c.应力相似比尺Cσ、弹模相似比尺CE和应变相似比尺Cε之间的相似关系

d.地质力学模型试验要求所有无量纲物理量(如应变、内摩擦角、摩擦系数、泊松比等)的相似比尺等于1,即

1.1.2 基本原则

模型与原型在组成、外貌特征及破坏阶段基本满足全相似要求,并按地质力学模型选择各项相似比尺;在模型边界上按相应主应力方向及大小加载,使之形成与实测点相适应的初始应力场。

1.1.3 模拟范围

模型模拟范围为:高程1 260～1 471 m,高差为211 m,向坡内延伸长度为251 m,坡体宽度为165 m,坡表起伏按实际情况构建,几何相似比尺为 1∶500。

1.2 材料的选择和配置

根据已有资料,确定模拟范围内原型岩土体物理力学参数如表1。

为了满足高容重、低强度、低弹模的要求,本试验采用重晶石粉、膨润土和石蜡油3种材料作为相似材料进行模拟,以重晶石粉和膨润土为骨料,以石蜡油溶液作黏结剂。其弹性模量可根据膨润土的比例调整进行控制,其强度由石蜡油的比例进行调整。

1.3 材料参数试验及影响程度分析

根据试验方案采用800目、1250目、3000目超细硫酸钡、5#石蜡油和400目纳基膨润土一共做出28组配比试验。其中弹性模量采用单轴无侧限抗压强度试验,内聚力和内摩擦角采用环刀直剪试验测定;根据一系列试验结果,得出了材料的含量(质量分数)对其物理力学参数的影响程度的一些基本规律。

a.弹性模量对石蜡油含量反应比较敏感,即当质量分数超过11%以后,显著下降;随膨润土含量的增加则呈增加趋势,并且当质量分数超出25%以后,显著增大(图1)。

b.容重主要受重晶石粉含量的影响,但范围基本保持在21～27 kN/m3之间(图2)。

c.内聚力和内摩擦角随石蜡油含量增加呈线性降低趋势;随膨润土含量的增加呈增加趋势。

1.4 材料比例及物理力学参数取值

在多数情况下,尤其当研究对象比较复杂时,地质力学模型试验很难满足全部相似关系,根据具体情况必须简化甚至忽略其中某些条件,因为这些条件所起的作用并不是很明显。在本次试验中,根据板裂岩体的特性和振动台试验的特点,主要考虑的是弹性模量和容重;又由于所选材料特性的原因,在保证弹性模量和容重相似比的基础上基本无法获得内聚力和内摩擦角的预计试验值,因此在多次试验比选及综合考虑多项指标的条件下,结合本次模型试验需要满足的相似要求,对材料的配比进行了选择,经选定后的模型材料的物理力学指标见表2。

表1 原型实际岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil of an actual slope

图1 弹性模量变化趋势特征Fig.1 Trend characteristics of the elastic modulus

图2 容重变化趋势特征Fig.2 Trend characteristics of the bulk density

1.5 模型制作与安装

根据振动台的台面大小和所需模拟范围,首先采用长×宽×高=10 cm×10 cm×6 cm的木制模具(包括围框、底板、压板3部分)制作模块(图3);根据岩层厚度变化及岩体强度差异,拟采用10 cm×10 cm×2 cm和10 cm×10 cm×1 cm 2种规格的模块分别模拟灰岩和千枚岩(图4)。

模型成形的过程应最大限度地满足相似条件的要求。这一过程对于用模型预测原型,反映原型的形变和破坏过程至关重要。但是成形既要考虑科学性又要考虑可操作性,所以存在一定的难度。由于试样为方形块体,为保证模型成形后的整体性,故采用砌筑法成形。

a.根据地形条件建立模型的底部边界,由于岩层倾角为 56°～58°,因此,将坡脚前缘底部施力体的倾角定为57°,并在坡脚处构筑一57°倾向坡内的斜面。

图3 模块制作模具Fig.3 Wood mold praducing the basic blocks

表2 模型材料物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of the model materials

b.在砌底层时,由于振动台表面平整,砌块要倾斜,形成一定的空隙。考虑到试样砌块刚度小,强度低,而基岩破坏不明显等的实际情况,可用石膏填充。并在砌块之间的连接处使用与模型材料性能相当的石膏浆黏结。

c.为了模拟千枚岩层间的层面分界及部分岩体节理内部的碎屑充填,可适当加一薄层石英砂。灰岩与灰岩层面之间,因其黏结性较差,基本不用处理。同一层的各层面之间应严格按照砌筑错位进行,防止出现横向软弱面。上下层面之间也应该严格按照砌筑错位进行,防止出现竖向软弱面。砌筑完之后,应该手工进行整理,修整基岩面。

d.根据上层堆积物的容重、物质组分及颗粒组成,其相似材料采用钠基膨润土、山砂、水,按体积比为2∶6∶0.5均匀混合而成。由于坡体为第四系松散堆积物,在边坡表面有一定程度的植被,形成了表面壳体;为了恢复天然状态,故在上层堆积物表面撒一薄层石膏,后用喷头均匀喷一薄层水,形成表面壳体。待表面石膏凝结,则模型成型,砌筑完成后的最终振动台物理模型见图5。

2 试验设备及特征

试验设备采用成都理工大学自主研发的振动试验台。该振动试验台系液压施加初始位移、液压锁紧、瞬间释放型弹簧式二维振动试验台,适用于在竖直平面内互相垂直的两个简谐振动运动合成特征情况下的物理模型振动模拟的机、电、液一体化试验设备;最大振幅A=50 mm、最大频率 f=2 Hz,可以提供竖直平面内的简谐振动和随机振动,能近似模似地震荷载。其主要特点是:

a.振动过程为自然地突然释放,通过同频率的2个简谐振动波传播,然后阻尼衰减结束,持续时间可达13 s。这能够近似模拟自然发震过程。

图5 砌筑后的最终模型Fig.5 Final model after laying

b.通过可视模型框能够清楚、直接地观测到模型两侧面的变形破裂发展演进情况,并可通过摄像记录其变形破裂过程。

c.通过振动加速度采集系统和可视化模型框网格位移测量,能够直接获取一些量化数据,如每一次的振动加速度时程和模型内部侧面一些特征点每一次振动演进产生的位移累积。

3 试验结果及分析

试验采用多次循环振动的方式,对坡体施加影响,并通过加速度动态测量系统采取数据;同时,在水平和垂直方向采用录像方式记录整个变形破坏机制,便于后续整理分析。虽然这种振动方式对于模拟真实地震的连续性和持续性还有不足,但对于分析斜坡在动力作用下的某些响应机制是有效的,而且可以将响应过程分解到连续动作的每一步,特别是在整体破坏以前。

由于顺坡体坡向方向的振动惯性对坡体稳定性最为不利,因此将坡面的走向布置成与振动竖直平面垂直的形式。根据地震波传播至地表的先后顺序及对坡体影响程度,选择先竖直(实际振动过程中出现了混合运动状况)后水平的振动方式,记录每次振动开始至完全停止的时间并紧接开始下一次振动操作。

前9次振动过程中,坡体表面没有显著变形破坏迹象;但在坡体内部,特别是在覆盖层和基岩接触部位应有沿基覆界面拉张、微裂隙扩张贯通等一系列变化特征。可以说,这是整个变形破坏的量变阶段,具体试验结果见表3。部分试验结果和现场调查情况比较相符,例如在振动过程中,局部弯曲倾倒变形加剧、岩土体振动碎裂、坡体沿软硬岩层界面拉开等,说明采用振动台物理模拟能够反映边坡对动应力扰动的响应,对在动荷载作用下的反倾板裂结构岩体边坡的变形破坏机制研究是有实际意义的。

表3 振动试验过程中模型变形破坏现象及特征描述Table3 Description of the phenomena and characteristics of deformation and failure of the model during the vibration test

3.1 变形破坏特征分析

根据振动台物理模拟试验观测和记录结果可以看出,反倾板裂岩体边坡在动力作用下的破坏形式主要有以下特征:

a.岩土体松动碎裂。在整个振动试验过程中都出现了不同程度的松动、解体现象。模拟基岩的相似材料中原有砌块之间节理裂隙进一步张开,同时在块体内部出现新的裂隙,并随振动次数的增加(振动持续时间的增加)而逐渐扩展、延伸,直至局部搭接贯通;特别是在两类变形模量相差较大的灰岩和千枚岩之间,拉张破坏特别明显,且随振动次数的增加逐渐向深部扩展。

b.后缘坡肩拉裂。由于地形坡度的突变和高程的放大效应,在坡肩部位最先出现拉张裂缝,一开始在坡体的左侧和右侧分别产生了长度为14 cm和6 cm的微裂隙,平均宽度只有0.1～0.2 mm,2条裂隙衔接部位有贯通的趋势,随振动次数的增加,微裂隙进一步拉开并贯通,裂隙宽度达到0.5～1.5 cm;同时在坡体两侧沿拉裂缝出现局部解体陷落伴随有崩塌掉块,并落入坡脚前缘10～20 cm范围内;最后沿后缘拉裂缝形成一碎裂带,反坡台阶现象明显,高差可达0.8～1 cm(图 6)。

c.倾倒弯曲和沉降变形。在振动的反复作用下,节理裂隙得到加宽和加长,并向坡体内部延伸。层面和层面之间有张开的趋势,特别是在软硬岩性之间的接触面上表象更加明显,岩体的倾倒弯曲变形有加深的趋势;强风化岩体松动折断破坏、层间发生错动,造成原有弯曲变形程度明显加剧。随着动力作用的继续,岩体进一步松动,裂隙进一步扩展,一些坡表碎屑物由于受振动下降填充,使得坡顶沉降(图7)。

d.岩土体架空和坡脚鼓出。从侧面观察,覆盖层底部和强风化岩体接触部位的架空现象更为明显,最大可达0.7 cm(图8)。岩体的弯曲变形部分有下错变形,初步分析是由于强风化千枚岩软弱层带的存在(岩体物理力学性质,特别表现为岩体强度不同,即弹性模量的巨大差异),产生挤压剪切变形所致;在发生整体滑塌前最显著的特点是坡脚处前缘产生鼓出变形,鼓出裂隙整体长25 cm,明显区域有16 cm,两侧为微裂隙(图9)。

e.坡表强风化层和覆盖层溃滑。第15次振动时,坡体覆盖层发生整体破坏,表现为从坡脚剪出并一滑到底,并伴有抛起的溃滑式破坏(图10);滑体底面出现,基岩出露(板裂状强风化灰岩和千枚岩相似材料),且坡体上部表现为粗糙的断壁,显示出振动拉裂破坏特征(图11)。

图6 坡体后缘拉裂特征Fig.6 Crack characteristics of the upper edge of the slope

图7 后缘弯曲倾倒和沉降Fig.7 Bend-toppling deformation failure and settlement of the upper edge

图8 覆盖层底部架空Fig.8 Floating structure of the covering bottom

图9 前缘坡脚剪切鼓出Fig.9 Shear bulging deformation of the front slope toe

图10 边坡整体溃滑失稳Fig.10 Collapse slipping instability of the whole slope

图11 滑坡后缘陡壁Fig.11 Steep edge of the landslide caused by the vibration

f.坡体临空抖筛抛出。在动力加速度的作用下,右侧的拉张裂隙继续沿坡体突变部位向下延伸,达到12～13 cm,后缘已彻底拉断,坡体整体临空抖筛抛出;在最后的整体失稳过程中,坡体物质犹如海浪一般在振动作用下,一浪一浪向坡体前缘抛出,且向临空面抖抛,在向下回落过程中分解破碎,部分块体向下运动至坡脚前缘(图12)。

3.2 变形破坏过程与机制分析

通过以上分析,从岩体结构时效变形、坡体稳定性历史演变的角度可以将反倾板裂岩体结构边坡受动力扰动情况下的变形破坏过程概括为以下3个阶段:

图12 滑坡碎裂岩土体Fig.12 Fragmentation of rock and soil caused by the continuous vibration

a.倾倒变形阶段(潜伏阶段)。首先是卸荷回弹,陡倾面拉裂,反倾的板裂岩体在自重弯矩和其他外营力作用下,于前缘开始向临空面作悬臂梁弯曲,并逐渐向坡内发展,对坡体的稳定性造成潜在隐患,为其进一步变形失稳提供了优势条件。

b.坡体震裂阶段(触发累计阶段)。在强震持续性作用下 ,坡体内部因震动而使得原有的裂隙进一步张开、破裂和局部解体,特别是软硬岩相间处拉裂作用更加明显。

c.坡体溃滑阶段(能量释放阶段)。震动使得表面岩体部分拉裂隙延伸、搭接、贯通,摩阻力迅速降低;在强震赋予的高初始速度作用下,强风化岩体和表部覆盖层产生溃滑并抖动抛出。

可以说这3个阶段是具有相互继承的特点,前一个阶段是后一个阶段的原因和基础,后一阶段是前一阶段的结果和发展。就时间进程而言,倾倒变形阶段是个长期蠕变、强度不断降低、卸荷与风化程度不断加深、裂隙不断延伸扩展的阶段,为动力触发失稳变形提供了最基本的条件;而坡体震裂阶段和溃滑阶段的主要特点是:短时间内能量迅速积累使得裂缝发展和变形位移累积,一旦破坏,具有显著的突发性和爆发性,且在失稳破坏的过程中仍受震动影响伴有强烈的抖筛抛出和碎裂解体,如果岩体稳定性已接近临界状态,或某一控制面已接近贯通,由于震动可使得岩体突然受荷而丧失稳定,导致破坏突然发生。

整个震动破坏阶段又可以进一步细分为岩土体松动碎裂、后缘坡肩拉裂、裂缝发展和变形位移累积、前缘坡脚鼓出、抛起式溃滑剪出5个阶段。

a.岩土体松动碎裂。由于动荷载的触发效应,岩土体处于反复的瞬时加荷和卸荷状态,可在裂隙和软弱夹层中产生反射应力波,引起局部应力集中效应,造成瞬间拉应力。因而,当岩体中某些软弱结构面本身已经具有或储有足够的剪切应变能时,应力波的介入则有可能促进这些结构面发生破裂;当应力波从相对坚硬的岩体传入较软弱的岩层时,由于弹性模量不同,产生的反射波为拉伸波,在界面处产生拉应力,并且两类介质的弹模值相差越大,拉应力数值越高[19]。应该指出,裂隙面,尤其是有一定张开度的或被充填的裂隙,其本身就是介质特性突变部位,也将产生反射引力波,促使其被拉开。岩层倾倒弯曲到一定程度,应力达到了岩体的抗拉强度时,岩层开始出现拉裂破坏。

b.后缘坡肩拉裂。破裂之所以从坡肩开始,主要是因为震动波在传至表部碎裂岩体和松散堆积物时,由于多次反射和叠加,产生卓越周期,振幅显著增大且高程对地震波也有明显的放大效应。已有强震观测结果表明,地震动幅值和频谱随地形高度而变化,由于山体共振或山体内体波多次反射,山顶上地震动持续时间显著增长,放大效应显著。

c.裂缝发展和变形位移累积。由于动应力的累计效应使得坡体内部的裂缝逐渐发展并向深部延伸,坡体后缘裂缝进一步张开,坡肩下沉,局部倾倒变形加剧,并在前缘产生鼓起变形。众所周知,岩土体若在动力的某一作用方向出现剪切失稳,由于作用时间短暂,它可能造成一次跃变剪切位移而并不破坏。但多次位移的累积,如果使剪切面中某些锁固段被突破,或越过某些突起体,造成抗剪强度显著消弱,则有可能导致最终破坏。

d.前缘坡脚鼓出。坡脚部位本身就是斜坡中应力差和最大剪应力最高的部位,为最大剪应力增高带,在动力扰动作用下,也最容易发生变形和破坏;特别是当坡体整体的变形和位移累积发展到一定程度时,前缘坡脚不足以抵抗其失稳下滑力时,即在坡脚前缘发生剪出变形。

e.抛起式溃滑剪出。由于动力作用,减弱了岩体中节理面间及覆盖层内的黏结力,使得坡体表部强风化层和覆盖层抗拉强度大幅度降低并且发生大范围的松动,为岩土体崩落造成了条件。在动力的脉动性作用下,岩土体受到突然的加荷与卸荷作用,基于本身的惯性力,原来处于极限平衡状态下的岩体就会失稳,出现不同于非动力作用突发性的抖筛抛出式溃滑剪出现象。

4 结论

a.从历史演变的角度可以将反倾板裂岩体结构边坡受动力扰动情况下的变形破坏过程概括为3个阶段,即倾倒变形阶段(潜伏阶段)、坡体震裂阶段(触发累积阶段)和坡体溃滑阶段(能量释放阶段)。特别是具有长期效应的倾倒变形阶段是整个坡体动力失稳的最基本条件,决定了坡体失稳机制、类型和规模。

b.在动力作用下,反倾板裂岩体边坡的变形破坏演化过程主要表现为岩土体松动碎裂-后缘坡肩拉裂-裂缝发展和变形位移累积-前缘坡脚鼓出-抛起式溃滑剪出的过程,和其他岩体边坡不同的特点是变形位移累积阶段伴随明显的弯曲变形特点。

c.在动荷载作用下,由于动应力的触发和累积效应,应力波可在裂隙或软弱夹层中产生反射应力波,造成瞬间拉应力,造成岩体的进一步破裂、破碎。当遇到软硬相间岩层时,由于弹性模量不同,产生的反射波为拉伸波,在界面处产生拉应力,并且两类介质的弹模值相差越大,拉应力数值越高。

d.动力持续时间对边坡的破坏程度起着决定性作用。由于反复的瞬时加荷和卸荷引起临空面附近岩体内部应力重分布,造成局部应力集中效应,在张应力集中带沿先期破裂面形成拉裂破坏;且随震动时间的延长,拉裂破坏不断延伸、贯通。多次加载、卸载形成变形位移的累积,如果使剪切面中某些锁固段被突破,或越过某些突起体,造成抗剪强度显著消弱,则导致最终破坏。

e.由于动力作用,坡体表部强风化层和覆盖层抗拉强度大幅度降低并且发生大范围的松动,加之动力作用的脉动性,岩土体受到突然的加荷与卸荷作用,基于本身的惯性力,原来处于极限平衡状态下的岩体就会失稳,出现不同于非动力作用突发性的抖筛抛出式溃滑剪出现象;且在整体失稳过程中,坡体抛出物质进一步分解破碎,直至震动停止。

由于地质原型的复杂性和多样性,相似模型不可能完全重现原型受动力扰动后的震动相应机制;但是,作为一项失稳机制研究,对于反倾板裂岩体在动力作用下整体破坏机制仍提供了有力的依据。根据前述试验结果,对于软硬相间岩层组成的反倾板裂岩体边坡,其加固防护设计应采用坡表框架锚固(穿过强风化岩层)、坡肩减载高强锚固、前缘抗滑支挡、软岩加固和坡表排水相结合的综合治理措施。

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